三相逆变器DSP控制技术的研究

浙江大学硕士学位论文 i 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目论文题目 三相逆变器三相逆变器 DSP 控制技术的研究控制技术的研究 作者姓名作者姓名 杨杨 成成 林林 指导教师指导教师 徐德鸿徐德鸿 教授教授 学科学科(专业专业) 电力电子与电力传动电力电子与电力传动 所在学院所在学院 电气工程学院电气工程学院 提交日期提交日期 2004 年年 3 月月 浙江大学硕士学位论文 ii 浙江大学硕士学位论文浙江大学硕士学位论文 三相逆变器三相逆变器 DSP 控制技术的研究控制技术的研究 学位申请人：学位申请人： 杨杨 成成 林林 导师：导师： 徐德鸿徐德鸿 教授教授 浙江大学电气工程学院电力电子与电力传动研究所浙江大学电气工程学院电力电子与电力传动研究所 2004 年年 3 月月 Thesis Submitted to Zhejiang University for M.s. Degree 浙江大学硕士学位论文 iii Study on DSP Control for Three Phase Inverter Yang Chenglin Supervisor: Prof. Xu Dehong Institute of Power Electronics College of Electronical Engineering Zhejiang University, Hangzhou, P.R. China March, 2004 浙江大学硕士学位论文 目录 i 目录目录 目录目录.I 摘要摘要.I ABSTRACT.II 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 背景.1 1.2 不间断供电系统（UPS）概述.1 1.2.1 后备式 UPS .2 1.2.2 在线式 UPS .2 1.2.3 在线互动式 UPS .3 1.3 逆变器控制策略.4 1.4 逆变器数字控制技术.7 1.4.1 数字控制的特点.8 1.4.2 数字信号处理器（DSP）的结构及内部资源（TMS320LF2000）.9 1.5 本文选题意义与研究内容.11 第二章第二章 三相逆变器系统设计三相逆变器系统设计.12 2.1 三相逆变器系统结构.12 2.1.1 逆变器主电路.13 2.1.2 逆变器同步及与电网切换逻辑.14 2.2 三相逆变系统的数字化.17 2.2.1 DSP 中 SPWM 的实现.18 2.2.2 数字锁相的实现.20 2.2.3 DSP 与上位机 MCU 的通讯 .24 2.3 本章小结.25 第三章第三章 控制器设计控制器设计.26 浙江大学硕士学位论文 目录 ii 3.1 被控对象模型.26 3.2 逆变输出滤波器设计.28 3.3 控制参数设计.33 3.3.1 瞬时值内环参数设计.33 3.3.2 平均值外环设计.36 3.4 模拟控制器的离散化.39 3.5 本章小结.44 第四章第四章 软硬件实现及实验结果软硬件实现及实验结果.45 4.1 电路的硬件实现.45 4.1.1 控制及驱动电路.45 4.1.2 死区电路对输出波形的影响分析.46 4.1.3 数字采样调理电路.49 4.1.4 保护电路.50 4.2 功能实现的程序流程图.51 4.3 实验结果.59 4.4 本章小结.62 第五章第五章 总结总结.63 参考文献参考文献.64 致谢致谢.69 浙江大学硕士学位论文 摘要 III 摘要摘要 随着近年来对高质量，高可靠性电源系统的需求发展，不间断电源系统 （UPS Uninterruptible Power System）正越来越广泛地被选用，以保护一些对 供电敏感的负载如电脑系统、通讯系统、医疗系统等。而逆变器是整个不间断 电源系统的核心，必须具有输出高质量电压波形的能力。高性能数字信号处理 器（DSP）的飞速发展，也使逆变器的数字控制成为今后的发展潮流。 本文主要介绍了基于 DSP 控制三相逆变器系统的总体设计方案，其中包括 SPWM 控制的数字实现、逆变器输出电压的数字锁相、逆变器与旁路间的切换 逻辑及逆变器与上位机的通讯。然后在分析逆变器模型的基础上，设计了逆变 器的输出 LC 滤波器参数。在逆变器控制策略上采用电压瞬时值内环和平均值 外环的双环控制方法,并用 TMS320LF2407 实现数字控制。电压瞬时值内环保证 输出电压波形的正弦度，平均值外环实现对输出电压幅值的控制。电压内外环 匀采用 PI 控制器，文中给出了 PI 控制器控制参数比较详细的设计过程。接着 介绍了该三相逆变器系统的硬件实现电路及 DSP 控制软件的流程图。另外还分 析了逆变桥上下管驱动信号上的死区对输出电压波形的影响。最后给出了实验 波形。 关键词：关键词： 不间断电源系统 逆变器 数字控制 DSP 瞬时值控制 Abstract Nowadays, with the requirement of high quality and reliable power system, UPSs ( Uninterruptible power supplies) are widely selected for the protection of sensitive loads such as PC, communication systems and medical equipments. Inverter is the core of UPS and is required to have 浙江大学硕士学位论文 摘要 IV high quality output waveform. With quick increase of the performance of DSP (Digital signal processing), Digital control are becoming more popular in inverter system. This thesis introduce the design of DSP control for three phase inverter, witch includes digital realization of PWM control, digital PLL, swap control between inverter and utility, and communication with MCU. Base on inverter model, inverter output L-C filter is investigated. and double-loop control scheme with TMS320LF240 are selected. The instantaneous voltage inner loop is used to control output voltage waveform to track a sinusoidal waveform. And the outer average voltage loop guarantees accuracy of output voltage. Both outer and inner loops adopt PI controller. Detail design of controller parameters, circuits and DSP software are given. In addition, we analyse the dead time effects of PWM control on the output waveform. In the end the experimental results are provided. Keywords: Uninterruptible power supply; inverter; digital control; DSP; instantaneous control 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章绪论绪论 1.1 背景背景1 现代全球化通信技术和高精尖的精密加工工业的发展而带动起来的信息产 业正以前所未有的速度发展着，所有这一切对当今社会发展，经济和金融活动， 甚至对我们每个人的生活质量都带来了极其深刻的影响。现在已为人们愈来愈 认识到的事实是：由于计算机和通信设备等为代表的非线性负载在运行过程中计算机和通信设备等为代表的非线性负载在运行过程中 所产生的所产生的“谐波污染谐波污染”造成当今普通电网的供电质量的普遍恶化。造成当今普通电网的供电质量的普遍恶化。大量的运行实 践说明：电网电压和频率的急剧波动，供电的瞬时和长期中断，在电网上所出 现的各种人们无法预料和控制的干扰和高能浪涌都有可能造成计算机的硬件损 坏或导致计算机的计算错误和数据丢失。 为了满足有些部门，如：银行结算中心和证券交易系统中的计算机网络通 信系统，电信和移动电话通信系统，航空管理系统，大规模集成电路生产线及 各种自动生产流水线，医用临床系统，公路和铁道调度和售票系统等对高质量， 高可靠电源系统的需求，近年发展起来的 UPS (Uninterruptible Power System) 不间断电源系统正越来越广泛地被选用。 1.2 不间断供电系统（不间断供电系统（UPS）概述）概述12 所谓不间断供电电源是指电网（市电）输入发生异常或中断时，仍可以继所谓不间断供电电源是指电网（市电）输入发生异常或中断时，仍可以继 续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载不受影响的电源装置。续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载不受影响的电源装置。早期的不 间断电源采用柴油（或汽油）发电机电动机发电机组来实现电能变换的。 随着可控硅（晶闸管）制造工艺的完善、质量的提高和价格的降低，便开始出 现了用可控硅作为功率变换主要元件的可控硅不间断电源装置。但可控硅是一 种没有自关断能力的器件，而逆变器是以直流电源为输入能源，因此就必须给 每只可控硅设计一套由电容和电感等元件组成的换向单元电路，这使得整个不 间断供电系统很庞大而且笨重。到了 80 年代，利用具有可控关断能力的功率晶 体管来替换可控硅来作逆变器的开关器件，这样就省去了换向电路，减小系统 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 体积，提高功率变换的效率，改善了动态性能，也提高了可靠性。近年来，随 着功率半导体器件的迅速发展，各种高频化全控型器件不断问世，如功率场效应管 （MOSFET） 、绝缘门极晶体管（IGBT） ，MOS 控制的晶闸管（MCT）等。这些新型的全 控型功率半导体器件具有开关速度快，控制和驱动方便等一系列优点，利用它们制作的不 间断电源装置具有重量轻、效率高、噪声小、操作控制灵活等一系列优点。 图 11 为 UPS 的系统框图， 主要由三个部分组成：整流器 （AC/DC） 、逆变器（DC/AC） 、充 电器（DC/DC） 。整流器输出的直流 电源向逆变器和充电器供电。逆变 器把直流电源变换成所需的交流电 （一般为 50Hz、60Hz）向负载供电。 充电器向储能单元（蓄电池）输送 能量，作为后备能量加以存储，在 市电异常或中断时向逆变器直流侧供电。 UPS 按其运行方式，可以分成以下三种类型：后备式（Off-line）UPS、在 线式（On-line）UPS、在线互动式（Line-interactive）UPS。 1.2.1 后备式后备式 UPS 这种 UPS 在市电正常时，由电网直接向负载供电；而在市电掉电时，由蓄 电池经过逆变器向负载供电。这种 UPS 对电网的畸变和干扰没有抑制作用，而 且逆变输出一般为方波，供电质量差，因而仅作为一种应急电源使用。后备式 UPS 的结构如图 12 所示。 滤滤波波器器 逆逆变变器器 充充电电器器 市市电电输输入入 图 12 后备式 UPS 结构 1.2.2 在线式在线式 UPS 在线式 UPS 在市电正常时，通过整流器、逆变器向负载供电，同时向电池 充电；在市电超出整流器允许范围，或市电掉电时，由电池向逆变器供电。当 整整流流器器 逆逆变变器器 充充电电器器 输输入入 输输出出 图 11 UPS 系统框图 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 逆变器出现故障时通过旁路开关切换到电网，由电网向负载供电。在线式 UPS 的结构图，如图 13 所示。在线式 UPS 一般以 PWM 方式输出，输出电压 THD 一般在 5%以内。从主电路的结构上可以把在线式 UPS 分为高频链式结构 （高频机）和带工频变压器的工频机。高频机有成本低，重量轻等优点，在小 容量场合（120KVA）得到广泛应用。而在大型配电系统中，为确保电源安全而在大型配电系统中，为确保电源安全 可靠，可靠，UPS 的输出必须配备变压器进行隔离。的输出必须配备变压器进行隔离。 旁旁路路开开关关 逆逆变变器器 整整流流器器 图 13 在线式 UPS 结构 1.2.3 在线互动式在线互动式 UPS 在线互动式 UPS 在市电正常时，由电网向负载供电，同时 UPS 对电网进 行有源补偿，保证供电质量；在市电断电的情况下，通过逆变器向负载供电， 保证供电的可靠性。在线互动式 UPS 结构如图 14 所示。 变变换换器器1 1 市市电电输输入入输输出出 变变换换器器2 2 图 14 在线互动式 UPS 结构 在线互动式在线互动式 UPS 实际上是一种补偿式结构，实际上是一种补偿式结构，对于不同容量等级和不同应用 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 场合有不同的补偿结构，常见的补偿方法有并联补偿和串并联补偿。它的最 大优点是具有较好的输入特性，具有很高的输入功率因数和较低的输入谐波电 流。但它不是真正的在线式结构，对电网的补偿能力有限，所以它的输出特性 一般比在线式 UPS 差，而且抗电网扰动的能力也较差。 1.3 逆变器控制策略逆变器控制策略 逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主稳态性能主 要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输 出电压的出电压的 THD（Total Harmonic Distortion）和负载突变时的动态响应水平。）和负载突变时的动态响应水平。 在这些指标中输出电压 THD 要求比较高，对于三相逆变器，一般要求阻性负载 满载时 THD 小于 2%，非线性满载（整流性负载）的 THD 小于 5%。这些指标 与逆变器的控制策略息息相关。逆变器控制技术的发展主要经历了四个阶段3： 1.早期逆变桥采用阶梯波形式输出，主要通过功率电路的设计改善输出 电压波形，如通过输出变压器的特殊设计提高输出电压波形的正弦度。 2.脉宽调制技术（PWM）出现后，通过开环的脉宽调制方法使输出电压 波形大幅度改善，使逆变技术产生了一个飞跃。 3.随着控制技术的发展，采用模拟的闭环控制方法和 PWM 技术相结合， 使逆变器输出电压质量得到进一步提高。 4.近年随着具有高速运算能力的 DSP（Digital Signal Processor）问世，使 逆变器控制的全数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在 逆变器中得到应用，使逆变器的稳定性和可靠性大幅度提高。 逆变电源的控制技术从总体上可以分为两大类： 基于周期的控制、基于瞬时的控制。基于周期的控制、基于瞬时的控制。 基于周期的控制是通过对前一周期或多个周期的输出波形进行处理，利用 所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于周期的控 制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差效果。 早期的逆变器控制是采用输出电压有效值反馈的方法进行控制，控制框图 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 如图 15 所示。这种方法通过输出电压有效值与给定的电压有效值的参考值比 较，误差信号经 PI 调节后与固定的正弦信号相乘的结果作为 SPWM 的调制信 号。这种控制方法仅对输出有效值进行控制，而 SPWM 部分为开环状态，无法 对输出波形的正弦度进行调节。因而这种方法的输出波形稳压精度较高，稳定 性好，但最大的缺陷在于逆变器的动态响应很差，输出电压的波形质量无法控 制，完全依靠逆变器的自然特性。当负载为非线性负载时，由于逆变器输出阻 抗的影响，输出电压波形的 THD 比较大。 PI Vrmsref V0 整流滤波 正弦信号 逆 变 桥 G(s) Kf 图 15 有效值反馈控制框图 在数字控制系统中一种典型的基于周期控制方法就是重复控制4567。重 复控制 的基本思想来源于控制理论的内模原理，图 16 为重复控制框图，虚 框中为重复控制器（N 为载波数） ，C(z)为补偿器，G(z)为控制对象模型。 Vrms V0 正弦信号 G(s) Kf C(s) Z-N 重复控制器 图 16 重复控制系统控制框图 在重复信号发生器的作用下，控制器进行着一种逐周期点对应式的积分控 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 制，通过对波形误差的逐点补偿，稳态时可实现无静差控制效果。与积分环节 相类似，重复控制信号发生器对误差进行累加，只不过重复控制信号发生器以 周期为步长，而积分控制是对误差进行连续时间的累加。在重复控制中，补偿 量是记忆的，所以它不像传统 PID 控制是依靠当前误差状态进行控制，只要每 个周期的扰动出现在固定位置，重复控制就可以通过几个周期的调整算出合适 的补偿量，能够将扰动量完全消除。重复控制对于周期性扰动的负载具有很好 的校正作用，但是对于非周期性扰动校正作用较差，并且在周期扰动出现时， 校正过程较长，动态性能比较差，这是重复控制的一个重要缺陷。在实际应用 中重复控制一般与其它控制策略相结合，以得到较好的输出波形和动态响应。 为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度，出现了瞬时值反馈的控制 方法。基于瞬时控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制，可以分 为单闭环 PID 控制8，单闭环滞环控制9，瞬时值内环控制，电压电流双闭环 控制101112，无差拍控制131415，滑模控制16等等。 PID 调节器是按误差信号的比例，积分和微分进行控制的调节器，是技术 成熟、应用最为广泛的一种调节器。其结构简单，参数易于调整，在长期的工 业应用中已积累了丰富的经验。在实际应用中，根据实际工作经验在线整定 PID 各参数，往往可以取得较为满意的控制效果。逆变器的 PID 控制框图如图 17 所示。 VrmsV0 正弦信号 G(s) Kf C(s) d 图 17 PID 控制框图 框图中 G(S)为被控对象，在逆变器中即为 SPWM 脉冲发生器、逆变桥及 输出 LC 滤波器。C(S)为经典的 PID 控制器，其传递函数如下： （11）( ) i pd K C SKKS S 、分别为比例、积分、微分系数。其中增大可以加快系统响 p K i K d K p K 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 应时间，减小系统稳态误差，提高控制精度，但也会使系统相对稳定性降低， 甚至造成系统不稳定；积分的作用可以消除或减小控制系统的稳态误差，但积 分也有可能使系统的响应变慢，并可能使系统不稳定。减小积分作用有利于增 加系统的稳定性，减小超调量，但系统静态误差的消除会随之变慢。微分的加 入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，起到一个早期 修正的作用，有利于增加系统的稳定性，加速系统的动态响应。但微分作用也 可以放大系统的噪声，降低系统抗干扰能力。 滞环控制如图 18 所示，其中 G(s)为被控对象，C(s)为控制器。输出电压 和参考正弦波电压比较，误差信号经过控制器 C(s)，其输出与滞环宽度相比较， 输出信号绝对值大于滞环宽度时，改变门极信号，这样就可以使得输出和参考 给定在一定的误差范围内。当滞环宽度越小，输出和参考给定也就越接近，但 是系统的开关频率也就越高。滞环控制实现起来比较简单，无需建立精确的主 电路模型，稳定性好，但是也有明显的缺陷：开关频率不固定，当主电路参数 及负载参数变化时，开关频率会随之改变。针对这个缺点，出现了很多恒频的 滞环控制，但是实现起来较复杂。 C(s)G(s) Vrms d V0 Kf 正弦信号 图 18 滞环控制框图 瞬时值内环反馈双环控制框图如图 19 所示，内环为瞬时值环，用来控制 输出电压波形的正弦度，从而减小输出电压波形的畸变率。外环采用平均值环 控制，以保证波形的幅值与参考值一致。 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 8 PI PI Vrms V0 整流滤波 正弦信号 Vref Kf2 逆 变 桥 G0(s) Kf1 图 19 瞬时值内环反馈双环控制框图 电压电流双闭环控制最先用在直流调速系统中，采用转速，电流双闭环调 速系统，转速调节器对转速的扰动进行调节并使之稳态无误差，其输出的限幅 值决定允许的最大电流；电流调节器实现电流跟随，过电流自动保护和及时抑 制电压扰动。这样的系统具有很好的动静态性能。逆变系统中通过采样输出电 感电流（如图 110 所示，Cu(s)、Ci(s)分别为外环和内环控制器）或电容电流 和输出电容电压，将外环电压调节器的输出作为内环电流环的给定，通过调节 电流使得输出电压跟踪参考电压值，提高系统的动态响应。在设计上，认为电 流内环速度快于电压外环，在设计电压外环时，可将电流内环看成一个比例环 节，这样电压外环的设计可以大大简化。实践中，由于两个环的互相影响，参 数整定比较困难。 K Kf f1 1 1 1 R R V Vr rm ms s V Vf f V Vo oi iL L i io o i ic c 逆逆 变变 桥桥 V Vi i C Cu u( (s s) )C Ci i( (s s) ) 1 1 L Ls s+ +r rL L 1 1/ /C Cs s+ +r rc c K Kf f2 2 正正弦弦信信号号 图 110 电压电流双闭环控制框图 近年随着微机运算处理能力的提高，许多先进的现代控制理论和方法在逆 变器中得到应用，如无差拍控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制等等。 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 9 1.4 逆变器数字控制技术逆变器数字控制技术 传统的电源都是采用模拟控制系统，模拟控制经过多年的发展，已经非常 成熟。然而，模拟控制有着固有的缺点：需要大量的分立元件和电路板，元器 件数量很多，制造成本比较高；大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂， 从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问题和不可补偿的温 漂问题，以及易受环境（如电磁噪声，工作环境温度等）干扰等因素都会影响 控制系统的长期稳定性17。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，能方便实现一些电路 控制，但是其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电容电阻等模拟器件。 除存在以上所述模拟控制的缺点外，专用芯片的控制不够灵活，要实现复杂、 先进的控制算法很困难。 随着微电子技术的飞速发展，数字处理器的运算速度越来越快，集成度越 来越高，功能更加强大，而成本也随着大规模的生产而下降，数字控制己成为 当今电源发展的方向。 1.4.1 数字控制的特点数字控制的特点 数字控制电源与传统模拟控制相比，有如下特点： 1.数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂带来的问 题，抗干扰能力也大大的增强。 2.易实现先进控制，改善电源系统的控制效果。 3.通用性强，可以在几乎不改变硬件的情况下，通过修改软件来实现不同 的控制算法或提高系统的性能，易于实现大规模产品生产。 4.采用数字控制可以更好地与信息化接轨，使电源系统的操作使用界面更 加人性化，可以给用户提供更完整的操作和历史数据，还能实现故障自 诊断等功能。另外，可以通过通讯口，把电源系统接入 PC 机，实现远 程监控等功能。 在数字控制系统中要注意以下几个问题18：AD 转换的精度和速度，采样频 率的选取、PWM 载波频率，计算精度，控制算法的延时等。 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 10 AD 转换器不可避免存在量化误差，而这种量化误差对系统来说是一个不利 影响。选择高精度的 AD 无疑能提高系统的控制精度，但是也同时增加了系统 的成本。 根据采样定理，信号的采样频率至少为被控电路系统带宽的两倍，才不会出 现混叠效应。提高采样频率能提高控制系统的实时性，但是这通常受到 AD 采 样芯片的速度及微处理器速度的限制。 PWM 信号频率与功率开关的性能、开关损耗、微处理器的运算能力等息息 相关。PWM 信号频率越高，开关损耗越大，留给微处理器的运算时间越少。 所以在系统设计时要认真考虑所选用的 PWM 频率。 在运算过程中，数据最初来自 AD 转换器，AD 转换器的位数即采样的分辨 率首先影响后面计算所能得到的最大精度。另外，在数据处理及计算中，不可 避免地存在需要对数据进行截尾等处理，这也会影响最后的控制精度。字长效 应及计算精度也是影响系统控制精度指标一个重要因素。 在数字系统中不可避免地存在采样和计算延时问题。这些延时对系统影响很 大，不但影响系统的控制精度和实时性，还可能造成系统不稳定。这将在后面 具体分析。由于采样和计算所引起的数字延时，会使系统的带宽变窄，动态响由于采样和计算所引起的数字延时，会使系统的带宽变窄，动态响 应速度变慢应速度变慢13。为了解决数字延时问题，一些设计者提出了带观测器的控制方 法如无差拍控制（Dead-bead control） 。这些方法虽然在一定程度上解决了数字 延时问题，但 功率 电路 微处 理器 (MCU) 采样 网络 AD 门极 驱动 电路 PWM 口外 围电 路 接口电路 DA或IO口 外围电路 外设 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 11 图 111 数字控制系统的一般框图 观测器的建立需要有比较精确的被控对象模型，而且计算量也比较大，这在 一些运算速度要求比较高的场合下无法实现。另外，由于被控对象模型的不确 定性（如负载变化等） ，使这些控制方法在系统稳定性与负载适应性等方面存在 一些问题。 数字控制系统的一般框图，如图 111 所示。在设计数字控制系统中，应根 据系统的性能指标选择合适的微处理器和 AD 转换器及其外围设备，以达到性 价比最高。 1.4.2 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）的结构及内部资源（）的结构及内部资源（TMS320LF2000）1819 目前，随着计算机和信息产业的飞速发展，信号处理学科不但在理论上，而 且在方法上都获得了迅速发展。特别是信号处理器（DSP Digital Signal Processor）的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数 字信号处理的研究和应用打开了新局面。由于 DSP 具有丰富的硬件资源、改进 的并行结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，已经成为世界半导体产业 中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、 工业控制。网络及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 12 DSP 具有下列主要结构特点： 1.采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指 令和数据空间，允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输。 2.高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可以完成多重操作，一般能够 完成一次乘法和一次加法。 3.支持流水处理。TI 公司的 TMS320 系列支持四级流水线，如图 112 所 示。 4.片内含有硬件乘法器和高性能的运算器及累加器。 5.片内集成了 RAM，ROM，FLASH 及双口 RAM 等存储空间，并通过不 同的片内总线访问这些空间，因此不存在总线竞争和速度匹配问题，大 大提高了数据读/写文章的速度。 6.新型的 DSP 不但具有数据处理能力，而且集成了越来越多的其它部件， 如 A/D,比较器，捕获器，PWM，串行口及看门狗等，为将 DSP 应用于 智能测控，电机控制，电力电子技术等领域提供了资源条件。 N N1 N2 N3 N1 N N1 N2 N2 N1 N N1 N3 N2 N1 N 取指令 译码 取操作数 执行 图 112 TI 公司 TMS320 系列的四级流水线 本课题中采用的控制芯片是 TI 公司专门为电机控制设计的 TMS320LF2407A。这款 DSP 控制芯片有以下特点： 采用高性能静态 CMOS 技术，使供电电压降为 3.3V，减小了控制器的 功耗；40MIPS 的执行速度，提高了控制器的实时控制能力。 片内有 32K 字的 FLASH 程序存储器和 1.5K 字的数据/程序 RAM，544 字双口 RAM（DASRAM）和 2K 字的单口 RAM（SARAM） 。 两个事件管理模块 EVA 和 EVB，每个事件管理模块包括两个 16 位通 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 13 用定时器；8 个 16 位的脉宽调制（PWM）通道。可编程的 PWM 死区 控制。 看门狗定时模块（WDT） 。 10 位 A/D 转换器，最小转换时间为 500nS。可以以两个 8 通道的双排序 方式采样，或一个 16 通道排序方式采样。 一个控制局域网络（CAN）2.0B 模块。 串行通信接口（SCI） 。 16 位的串行外设接口模块（SPI） 。 40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO） 。 1.5 本文选题意义与研究内容本文选题意义与研究内容 本课题所要研究的 DSP 控制三相逆变系统主要用在中等功率等级 （10KVA30KVA）UPS 的逆变输出级。考虑 UPS 的特殊情况，该三相逆变系 统输出电压要与电网电压实现同步跟踪，以满足 UPS 供电由逆变器与电网之间 进行切换的要求。另外还要实现 UPS 的各种复杂的逻辑关系。逆变器的主要技 术指标列在表 11 中。 表 11 三相逆变系统的主要技术指标 项目参数项目参数 输入直流电压380VDC失真（线性负载）2% 直流电压波动范围5%失真（非线性负载）5% 额定容量10KVA电压稳定度（静态）1% 功率8KW电压稳定度（动态）4% 额定输出电压380V/220V100%不平衡负载静态电压偏差2% 相电压设置200240V输出频率50HZ/60HZ(自适应) 峰值因素3：1稳定度0.05%（非同步） 波形正弦波频率同步窗口 5%（2%，10%） 面板控制 平衡负载相位偏差1201100%不平衡负载相位偏差1202 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 14 过载能力 100%/125%/150%维持时间 300S/10S/1S 短路电流（0.5S）：200% 本文的主要内容包括以下几个方面： 第一章介绍 UPS 的概况，逆变器控制的常用控制策略及采用数字控制的特 点，并介绍了数字信号处理器 DSP 的特点。 第二章根据本课题具体项目，介绍三相逆变系统的结构，与 UPS 相关的同 步及切换逻辑，并探讨如何用 DSP 实现 SPWM 调制及实现数字锁相。 第三章分析逆变器的建模，并根据具体电路，设计电压内外环的控制参数。 第四章介绍一些硬件电路的实现与 DSP 软件编程，并给出逆变器的实验波 形。 第五章是对本文的总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章 三相逆变器系统设计 15 第二章第二章三相逆变器系统设计三相逆变器系统设计 2.1 三相逆变器系统结构三相逆变器系统结构 三相逆变系统的结构框图如图 2-1 所示，主要包括三相逆变器、输出滤波 器、DSP 控制板（包括 RS485 和 CAN 接口） 、信号调理电路、双向可控硅组成 的旁路切换开关。SWMB 为维修旁路开关，TL1 为逆变输出接触器，SWS 为输 出开关，FBY 为旁路供电开关。三相逆变器采用三相半桥拓扑。DSP 控制板中 的 RS485 接口是与上位机（MCU 系统）进行通讯所用，上位机主要负责键盘 操作，显示及与微机（PC 机）通讯。CAN（现场控制总线）接口主要是为以后 UPS 并机所留。信号调理电路主要是对反馈信号进行调理，以便于 DSP 对信号 进行 AD 采样。双向可控硅组成的旁路切换开关使 UPS 可以由旁路供电切换到 逆变输出供电或由逆变输出供电切换到旁路供电。把该三相逆变系统框图简化 后如图 2-2 所示，可以看出加上蓄电池的充电电路，就是一个完整的 UPS 系统。 浙江大学硕士学位论文 第二章 三相逆变器系统设计 16 三三相相P PF FC C 三三相相半半桥桥 逆逆变变器器 输输出出 滤滤波波 输入滤波 图2035 旁旁路路开开关关 PWMPWM6 D DS SP P控控制制 信信号号调调理理电电路路 I IG GB BT T驱驱动动电电路路 同步信号SCR控制信号 S SC CR R驱驱动动电电路路 旁路输入电压 Inver输出 电流(IL) Inver输出 电压(VAC) 旁路输出电压 电压电流信号 输输 出出 滤滤 波波 RS485 总线 R RS S4 48 85 5 接接口口